一、研究背景

镁合金以其高比强度、比刚度、轻量化、资源丰富、绿色环保等优势成为一种对保持社会可持续发展具有重要战略意义的结构材料，在全球掀起了研发热潮。然而，相对于钢铁、铝合金等主流金属材料，镁合金绝对强度低，室温塑性差，强度-塑性倒置关系突出，成为限制其大范围应用的瓶颈问题。大量的研究表明精巧的微观结构设计是克服金属材料强塑性倒置关系的有效策略，然而许多行之有效的微结构设计策略在镁合金中并未获得理想的效果。

最近，中国矿业大学韩静副教授、赵继云教授课题组联合河海大学吴国松教授课题组提出一种构筑梯度异质结构的策略，通过梯度纳米结构和异质结构两种微结构的耦合提高微观组织异质程度，实现镁合金强度和塑性的同步改善。进而，发展了热轧组合超声表面深滚压的制备方法，制备具有梯度异质结构的高强塑ZE41镁合金板材。研究结果表明梯度异质结构合金的屈服强度提高到铸态合金的2.9倍，延伸率提高到1.6倍，突破了该合金长期存在的强度和塑性难以兼得的困境。研究进一步分析了超声表面深滚压加工过程的力学行为，揭示了梯度纳米表面层形成的外在机制，采用分子动力学模拟方法研究了超声表面深滚压诱导梯度微结构形成机理；分析了组织-性能关系，讨论了异质变形诱导强化和硬化机制对强塑性协同改善的重要贡献。梯度异质结构的设计策略和相关制备方法有望应用于其他镁合金，为克服其强塑性矛盾提供新的思路和方法。

二、图文导读

本研究发展热轧组合超声表面深滚压的制备方法（图1），以获得具有梯度异质结构的ZE41镁合金板材。首先采用多道次热轧获得~2 mm的ZE41镁合金板，而后在板材的任一表面开展1道次的超声表面深滚压加工。相对于传统的超声滚压方法，本研究发展的超声表面深滚压方法采用了更大的静压力，不仅促进了更厚的梯度表面层（~900 μm）的形成，而且带来板材厚度的减小，诱发整体塑性变形。进一步力学分析表明超声表面深滚压形成的表面应变率最高达到105 s-1。大的静压力和高的应变速率是厚的梯度表面层形成的外在机制。

图1 加工工艺示意图

微观结构分析表明铸态ZE41镁合金具有粗晶结构和网状T相，平均晶粒尺寸为89 μm。热轧的ZE41镁合金微观结构主要表现为等轴的再结晶晶粒和尺寸较大的变形晶粒，即异质晶粒结构。初始的T相结构得到细化，整体上仍然成网状分布。进一步，采用TEM深入研究了梯度异质结构ZE41镁合金从表面到芯部的微观组织演化。在最表面层，观察到等轴的超细晶结构，如图2所示。这些超细晶具有清晰的晶界和随机取向，平均晶粒尺寸为161 nm。在距离处理表面50 μm至300 μm的深度范围内，主要的微结构特征为延长的超细晶和孪晶结构，如图3所示。晶粒尺寸和长宽比均随着深度的增加而增加。增加深度到500 μm，包括高密度位错的孪晶成为主要的微结构特征。这些孪晶片将大晶粒分割成细小的层状结构。孪晶片的厚度约为515 nm。随着深度的进一步增加，高密度位错、延长的晶粒和孪晶成为主要的微结构特征，即为变形的异质结构。这一结果表明轧制组合超声表面深滚压处理的ZE41镁合金具有梯度异质结构，即微结构特征从超声表面深滚压处理侧的超细晶结构逐渐过渡到另一侧的变形异质结构。晶粒尺寸从最表面的161 nm逐渐增大到几十微米，跨几个数量级。

图2 梯度异质结构ZE41镁合金最表面层TEM分析

图3 梯度异质结构ZE41镁合金截面TEM分析

梯度异质结构镁合金硬度分析表明，在0 μm到900 μm的范围内，显微硬度总体上随深度增加而降低，如图4a所示。最大显微硬度为112.2 HV，约为铸态合金的2倍，为异构结构合金（即轧制合金）的1.8倍。硬度分布表明表面梯度层的厚度约为900 μm。单轴拉伸实验研究表明梯度异质结构合金的屈服强度和抗拉强度分别为272.8 MPa和390.3 MPa，是粗晶结构合金的2.9倍和2.6倍。同时梯度异质结构合金的延伸率仍然达到粗晶合金的1.6倍以上。与粗晶结构合金相比，单纯异质结构合金的强度显著增加，延伸率几乎相同，但其强度和延伸率依然远低于梯度异质结构合金。对比分析文献报道可知本文获得的梯度异质结构ZE41镁合金强度超过了先前报道，同时保持了良好的塑性。梯度纳米结构和异质结构两种微结构的耦合提高了微观组织异质程度，加剧了微观变形不相容，诱发了显著的异质变形诱导强化和应变硬化机制，从而带来优异的强塑性。细晶强化、第二相强化、位错强化也是梯度异质结构镁合金高强度的重要机制。

图4 梯度异质结构ZE41镁合金力学性能（heterogeneous grain (HG), coarse-grain (CG), gradient heterogeneous grain (GHG) ）

三、结论与展望

本研究提出了一种通过轧制和超声表面深滚压结合制备具有梯度异质结构镁合金的策略。所制备的梯度异质结构ZE41镁合金由约900 μm厚的梯度结构表面层和异质结构内层组成，晶粒尺寸差异达到几个数量级。相对于粗晶结构合金和单纯异质结构合金，梯度异质结构合金的拉伸强度和塑性同步改善。优异的强塑性不仅源于超细晶等异质微观结构单元的独立作用，而且源于微观组织高度异质设计带来的协同效应，即异质变形诱导强化和硬化效应。研究发展的轧制组合超声表面深滚压制备方法有望在其他合金中获得梯度异质结构，并且能够应用于大尺寸工业产品的生产。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第7期：

[1] Jing Han*, Jiapeng Sun, Yuanming Song, Bingqian Xu, Zhenquan Yang, Songsong Xu, Ying Han, Guosong Wu*, Jiyun Zhao*. Achieving gradient heterogeneous structure in Mg alloy for excellent strength-ductility synergy [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11(7): 2392-2403.

五、中文摘要

大多数金属，包括镁合金，存在强度和塑性难以兼得的困境，这限制了其广泛应用。本文提出了一种梯度异质结构，以克服这种困境，并尝试采用超声表面深滚压方法在ZE41镁合金中的构筑这种新的微结构。梯度异质结构结合了梯度结构和异质结构的优点，提高了微观结构的异质程度。与粗晶和异质结构合金相比，梯度异质结构的合金在强度、塑性和应变硬化能力方面都表现出了显著的提高。其强度远高于商业ZE41镁合金，同时不会降低延伸性。优异的力学性能不仅源自于微结构单元（包括细晶/超细晶、变形粗晶）的单独作用，还源自于它们通过异质变形诱导的强化和硬化效应产生的协同作用。本文的研究为研发具有高强度和良好塑性的新型镁合金提供了一种可行的方法。

六、英文摘要

Most metals including Mg alloys have a longstanding dilemma of strength-ductility trade-off, which is hindering their wider applications. In this study, we propose a gradient heterogeneous grain (GHG) structure for evading this trade-off dilemma and ultrasonic severe surface rolling is attempted to construct this novel structure in ZE41 Mg alloy. Here, the GHG structure combine the benefits of gradient structure and heterogeneous grain structure and introduce large microstructural heterogeneities. Compared to the coarse-grain and heterogeneous-grain structured alloys, the GHG structured one exhibits dramatical enhancement in strength, ductility, and strain hardening capability. To the best of our knowledge, its strength becomes much higher than that of common ZE41 Mg alloys at no reduction in ductility. These unique mechanical properties stem from not only the individual contribution of the heterogeneous structure components including the fine/ultrafine grains and deformed coarse grains but also their synergistic effect via hetero-deformation induced strengthening and hardening effects. In summary, our study provides a feasible way to develop new Mg alloys with high strength and good ductility.

七、作者简介

第一作者/通讯作者简介：

韩静（第一作者），女，中国矿业大学副教授。主要从事表面工程、金属增材制造等领域研究，在Additive Manufacturing、Corrosion Science、Journal of Magnesium and Alloys等期刊发表论文40余篇，2篇论文入选ESI高被引论文；出版专著1部，授权发明专利3件，软件著作权3项。担任SCI期刊《Metals》编委，《中国表面工程》青年编委。主持国家重点研发计划课题等国家级及省部级项目4项；作为主要骨干参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等国家级项目4项；主持企业合作项目6项。

赵继云（通讯作者），中国矿业大学二级教授，曾任中国矿业大学机电工程学院党委书记及执行院长。主要从事高水基流体液压元件、表面工程等领域的基础和应用研究。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家“十一五”科技支撑计划课题等国家及省部级项目10余项。相关研究成果获得国家发明二等奖，教育部科技进步一等奖、教育部科技进步二等奖、江苏省科技进步二等奖等。

陈荣石（通讯作者），河海大学教授、博士生导师。2007年获上海交通大学博士学位。先后在中国科学院宁波材料技术与工程研究所、香港城市大学和光云大学（韩国首尔）连续从事科研工作近十年。现担任国际期刊《Scanning》（1978年创刊）主编（Chief Editor）、中国腐蚀与防护学会医用金属材料腐蚀控制分会副主任委员、中国机械工程学会表面工程分会表面技术装备学组特聘专家和10本国际期刊编委会成员。长期从事表面技术和腐蚀科学领域的研究工作。入选爱思唯尔/斯坦福大学发布的全球前2%科学家“终身科学影响力”榜单（2020-2023）。